Виды светодиодов. Как устроены и работают светодиоды
Олег Лосев
Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник, сотрудник Нижегородской радио-лаборатории Олег Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом.
Через пять лет Лосев специально занялся исследованиями этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие «Losev Licht» , как назвали эффект в Германии, где Лосев публиковался в научных журналах, стало мировой сенсацией. И после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p-n-перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.
В 1962 году американец Ник Холоньяк продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.
Светодиод (англ. light emission diode – LED) является полупроводниковым прибором, его активная часть, называемая «кристалл» или «чип», как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. В отличие же от обычного диода в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар. Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света. Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.
Значит, прежде всего, нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного p-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Как устроен светодиод
Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:
- InGaN — синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости;
- AlGaInP — желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;
- AlGaAs — красные и инфракрасные светодиоды;
- GaP — желтые и зеленые светодиоды.
Кроме светодиодов лампового типа (3, 5, 10 мм, их форма действительно напоминает миниатюрную лампочку с двумя выводами), в последнее время все большее распространение получают SMD — светодиоды. Они совершенно иной конструкции, отвечающей требованиям технологии автоматического монтажа на поверхность печатной платы (surface mounted devices – SMD ).
А сверхяркие светодиоды такого типа называются эммитеррами (emitter, англ. «излучатель»).
SMD светодиоды имеют более компактные размеры, допускают автоматическую расстановку и пайку на поверхность платы без ручной сборки. Некоторые производители светодиодов выпускают специальные SMD-диоды, содержащие в одном корпусе три кристалла, излучающие свет трех основных цветов – красный, синий и зеленый. Это позволяет получить при смешении их излучения всю цветовую гамму, включая белый цвет, при ультракомпактных размерах.
Яркость светодиода характеризуется световым потоком (Люмены) и осевой силой света (Кандела), а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучающих в телесном угле от 4 до 140 градусов.
Цвет , как обычно, определяется координатами цветности, цветовой температурой белого света (Кельвин), а также длиной волны излучения (нанометры).
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности (характеристика «Люмен/Ватт»).
Также интересной характеристикой оказывается цена одного люмена ($/Люмен).
Итак, любой светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов, размещенных в корпусе с контактными выводами и оптической системы (линзы), формирующей световой поток. Длина волны излучения кристалла (цвет) зависит от материала полупроводника и от легирующих примесей. Биновка (wavelength bin) кристаллов по длине волны излучения происхо
Суть светодиода-Что такое светодиод и принцип его работы.
Светоизлучающие диоды, светодиоды очень широко используются в современном электронном оборудовании, и они являются одной из основных технологий источников света, используемых сегодня.
Как коротко сказать о том что такое светодиод и в чем суть светодиода?
Суть светодиода — Излучение световых фотонов (излучение света) возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода светодиодного кристалла.
p-n-переход — контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. В любом светодиоде один из полупроводников это акцептор, а другой донор.
Светоизлучающие диоды, светодиоды используются для многих работ. Они не только используются в качестве панельных индикаторов для всего: от телевизоров, радиоприемников и других форм отечественного электронного и промышленного оборудования, но они также заменяют более традиционные технологии освещения. Чтобы удовлетворить все эти потребности, существует множество различных типов светодиодов, которые доступны. С разработкой и внедрением органических светодиодных технологий светодиодные технологии оказывают еще большее влияние на сегодняшние технологии.
Светодиод символ
Символ схемы для светодиода относительно прост. Символ СИД содержит диодный символ с двумя стрелками, указывающими наружу, чтобы обозначать, что свет исходит от диода.
Светодиод, схема светодиода.
Иногда символ светоизлучающего диода показан только как контур и без заполненных фигур. Форма контура одинаково приемлема.
Альтернативный вид светодиода, светодиодный индикатор цепи.
Также можно увидеть другие версии светодиодных символов. Иногда символ светоизлучающего диода может быть заключен в круги. Этот символ не так широко используется в наши дни, но все еще можно увидеть на многих схемах.
Светодиодная технология: как работает светодиод
Светодиод представляет собой специализированную форму PN-перехода, которая использует составное соединение. Полупроводниковый материал, используемый для соединения, должен быть составным полупроводником. Обычно используемые полупроводниковые материалы, включая кремний и германий, являются простыми элементами, и соединение, изготовленное из этих материалов, не излучает свет. Вместо этого составные полупроводники, включая арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия, являются составными полупроводниками, и соединения из этих материалов излучают свет.
Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Для арсенида галлия галлий имеет валентность трех, а мышьяк — валентность пяти, и это то, что называют полупроводником группы III-V, и существует ряд других полупроводников, которые соответствуют этой категории. Также возможно иметь полупроводники, которые образуются из материалов группы III-V.
Как работает светодиод
Светоизлучающий диод излучает свет, когда он смещен вперед. Когда напряжение накладывается на соединение, чтобы заставить его смещаться вперед, ток течет, как и в случае любого PN-соединения. Отверстия из области р-типа и электроны из области n-типа входят в соединение и рекомбинируют, как нормальный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, выделяется энергия, некоторые из которых находятся в виде легких фотонов.
Обнаружено, что большая часть света получается из области перехода ближе к области Р-типа. В результате конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область поддерживается как можно ближе к поверхности устройства, чтобы гарантировать, что минимальное количество света поглощается в конструкции.
Чтобы получить свет, который можно увидеть, соединение должно быть оптимизировано и должны быть выбраны правильные материалы. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Для приведения световой эмиссии в видимый красный конец спектра алюминий добавляется к полупроводнику с получением арсенида аргицида галлия (AlGaAs). Фосфор также можно добавить, чтобы дать красный свет. Для других цветов используются другие материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия кальция алюминия используется для желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основаны на галлиевых полупроводниках.
Светодиодные материалы и светлые цвета
| ДИАПАЗОН ДЛИН ВОЛН(НМ) | ЦВЕТ | V F @ 20 МА | МАТЕРИАЛ |
|---|---|---|---|
| <400 | ультрафиолетовый | 3.1 — 4.4 | Нитрид алюминия (AlN) Алюминий нитрид галлия (AlGaN) Нитрид алюминия нитрида галлия (AlGaInN) |
| 400 — 450 | Фиолетовый | 2,8 — 4,0 | Нитрид галлия индия (InGaN) |
| 450 — 500 | синий | 2,5 — 3,7 | Нитрид галлия индия (InGaN) Карбид кремния (SiC) |
| 500 — 570 | зеленый | 1,9 — 4,0 | Фосфид галлия (GaP) Фолиевый фосфат алюминия галлия (AlGaInP) Алюминиевый фосфид галлия (AlGaP) |
| 570-590 | желтый | 2.1 — 2.2 | Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Алюминий-галлий-индия-фосфид (AlGaInP) Фолиевый галлия (GaP) |
| 590-610 | Оранжевый / янтарный | 2,0 — 2,1 | Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фолиевый фосфат алюминия галлия (AlGaUInP) Фолифид галлия (GaP) |
| 610-760 | красный | 1,6 — 2,0 | Арсенид алюминия (AlGaAs) Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фолиевый фосфат алюминия галлия (AlGaInP) Фолифид галлия (GaP) |
| > 760 | инфракрасный | <1,9 | Арсенид галлия (GaAs) Арсенид алюминия галлия (AlGaAs) |
Светодиодная матрица
Кубик или фактический полупроводниковый элемент светоизлучающего диода являются активной частью общего диода. Существуют две основные конфигурации, которые можно использовать.
- Структура светодиодных светодиодов: эта форма светодиодной структуры излучает свет в плоскости, параллельной стыку PN-перехода. В этой конфигурации свет может быть ограничен узким углом.
- Поверхностно излучающая светодиодная структура: эта форма светодиодной структуры излучает свет перпендикулярно плоскости PN-перехода.
Активные пленки светодиодной структуры обычно выращиваются эпитаксиально — часто с помощью жидкофазной или парофазной эпитаксии. Подложки выбираются так, чтобы иметь близкую решетку к активным слоям.
Обычными субстратами являются GaAs, GaP, InP. PN-соединение может быть создано либо диффузией примеси, ионной имплантацией, либо может быть введено во время фазы эпитаксиального роста.
Коммерчески светодиоды существуют в самых разных формах: от отдельных светодиодных индикаторов, где есть только один светодиод на упаковке, через различные дисплеи, вплоть до огромных массивов светодиодов на светодиодных экранах.
Для некоторых ограниченных приложений можно использовать различные типы светодиодных диодных диодов. Они могут включать контакты Шоттки и соединения MIS (металл-искробезопасный полупроводник). Однако они, как правило, менее эффективны и иногда сложнее сформировать надежно.
Общая конструкция светодиода
Есть много разных стилей светодиодов, которые доступны. Одним из наиболее широко используемых является простой светодиодный индикатор. Это обеспечивает понимание того, каким образом светодиоды могут быть упакованы.
В дополнение к очень простому светодиодному индикатору есть много других типов светодиодов, включая буквенно-цифровые дисплеи и более сложные светодиодные дисплеи.
Структура панели светодиодного индикатора панели может быть разделена на три основных элемента:
- Полупроводниковая матрица: это сам светодиодный полупроводниковый элемент.
- Ведущий каркас: эта часть светодиодного пакета содержит матрицу и обеспечивает соединение.
- Инкапсуляция: это окружает сборку и действует как защита. Он также предназначен для рассеивания света требуемым образом.
Кубик соединен с углублением в одной половине ведущей рамы, называемой наковальней из-за ее формы. Это делается с использованием проводящей эпоксидной смолы. Выемка в наковальне имеет форму, чтобы излучать световой излучение вперед. Верхний контакт от матрицы затем соединяется проволокой с другой клеммой ведущей рамы, которую часто называют столбом.
Кто придумал светодиод
В справочниках написано, что туннельный диод изобрел в 1958 году Лео Эсаки (в 1973 году он получил за это Нобелевскую премию), а светодиод — Ник Холоньяк в 1962 году. Между тем простой советский лаборант опередил обоих более чем на 30 лет.
Уже в детстве Олег Лосев твердо знал, чему посвятит свою жизнь. В 1917 году он побывал на лекции начальника военной радиоприемной станции, и с этого момента для него перестало существовать все, кроме «беспроволочного телеграфа». После школы Олег Лосев, не сумев поступить в Московский институт связи, благодаря случайному знакомству с профессором Рижского политехнического института Владимиром Лебединским, первым председателем Российского общества радиоинженеров (РОРИ), оказался в Нижегородской радиолаборатории (НРЛ). НРЛ в то время была инновационным центром, где велись и фундаментальные, и прикладные научные исследования в области зарождавшейся тогда электроники и электротехники.
В НРЛ Лосев, работавший лаборантом, решил заняться исследованием кристаллических детекторов для радиоприема. Эти элементы были капризными, но казались ему более перспективными, чем громоздкие и прожорливые электронные лампы. К тому же экспериментировать с детекторами Лосев, исследователь-одиночка по своему характеру, мог полностью самостоятельно — передвигая контактную иголочку на мельчайшие доли миллиметра по поверхности кристалла.
Он исходил из предпосылок, что «некоторые контакты… между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания». Он заблуждался: уже было известно, что для генерации нужна не просто нелинейность вольтамперной характеристики, а падающий участок (именно такой участок обеспечивают современные лавинные диоды).
Но Лосев оказался очень везучим — на контакте цинкита с угольной иголкой он обнаружил этот эффект, добившись первого в мире гетеродинного радиоприема на основе полупроводниковых элементов. В 1922 году статья Лосева о новых радиоэлементах, названных «кристадинами», вышла в журнале «Телеграфия и телефония без проводов» («ТиТбп»). Позднее статьи Лосева о кристадинах публиковались ив советских («ЖЭТФ», «Доклады АНСССР»), и в зарубежных (The Wireless World and Radio Review, Radio News, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift) журналах.
Совершенствуя кристадин, Лосев экспериментировал с различными материалами полупроводников и контактных иголок и в 1923 году обнаружил на стыке карборунда и стальной проволоки слабое свечение. Явление было названо «свечением Лосева», а первооткрыватель получил патент на «световое реле» (фактически первый полупроводниковый светодиод!) и (в 1938 году) — научную степень кандидата физико-математических наук без защиты диссертации. После реорганизации НРЛ Лосев переехал в Ленинград, где продолжал исследования до самого начала войны. А в 1942 году изобретатель погиб от голода в блокадном городе, а его работы так и остались незаконченными.
Статья «Свет грядущего» опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2013).Как проверить светодиод?
Лучшие светодиоды
Что такое светодиод?
1. Из чего состоит светодиод?
Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода схематически изображена на рисунке.
2. Как работает светодиод?
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему?
Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона.
Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения.
Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
3. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?
Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.
4. Чем хорош светодиод?
В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют.
Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы.
Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
5. Когда светодиоды начали применяться для освещения?
Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.
В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.
К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.
6. От чего зависит цвет светодиода?
Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.
7. Что такое квантовый выход светодиода?
Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход.
Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться).
Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.8. Как получить белый свет с использованием светодиодов?
Существует три способа получения белого света от светодиодов.
Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.
Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.
И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
9. Какой из трех способов лучше?
У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах.
Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Б
елые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО.
Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.
Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.
10. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?
Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА.
Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода.
Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения. Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности.
Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.
11. Как реагирует светодиод на повышение температуры?
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.
12. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
Как видно из рисунка, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению. типичная вольт-амперная характеристика светодиода
13. Для чего светодиоду требуется конвертор?
Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.
14. Можно ли регулировать яркость светодиода?
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы).
Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.
15. Чем определяется срок службы светодиода?
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20 — 100 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
16. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?
Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.
17. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания.
18. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?
Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон.
Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области. За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 — 12 подложках диаметром 50 — 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек.
Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 — 2 млн. долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой культуры.
Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24×0,24 до 1×1 мм2.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол.
Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии. Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.
Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера.
Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе. Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов.
Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.
технология СОВ
Источник статьи: ООО «Фокус»
Назад
принцип действия, схемы, примеры и т.д.
Светодиод — диод с простым P-N переходом, главной особенностью которого является то, что он испускает свет, когда через него проходит ток. Используется во многих цифровых дисплеях, а также в других типах индикаторных устройств.
СветодиодОбратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.
Принцип работы светодиода
Основные рабочие характеристики любого светоизлучающего диода сходны с характеристиками обычного диода. Когда подается напряжение, то электроны двигаются от материала N-типа через P-N переход и соединяются с отверстиями в материале P-типа. В обычных диодах энергия, которая возникает в результате соединения электронов с отверстиями, выделяется в виде тепла. Однако, когда речь идет о светодиодах, то энергия в них выделяется в первую очередь в виде света.
Схема светодиодаСветодиоды могут изготавливаться таким образом, что будут испускать красный, зеленый, голубой, инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Это достигается путем изменения количества и типа материалов, которые используются в качестве присадки. Яркость света также может изменяться, что осуществляется с помощью управления количеством тока, проходящего через светодиод. Однако, как и любой другой диод, СИД имеет предельные значения тока, которые он может выдержать.
Где используются светодиоды
Одной из основных областей применения светодиодов является использование их в качестве сигнальных лампочек. Например, этот прибор может использоваться для того, чтобы проконтролировать идет ли по цепи ток или она обесточена.
Цепь с сигнальной лампочкой представляет собой ряд приборов, последовательно соединенных между собой: светодиод, резистор, выключатель и источник постоянного тока.
Схема типичной цепи с сигнальной лампочкойКогда выключатель цепи с сигнальной лампочкой замкнут, то напряжение прямого смещения от источника тока подается на светодиод (который разработан таким образом, чтобы срабатывать только, когда имеется прямое смещение). Электроны, которые прорываются через P-N переход, соединяются с отверстиями, в результате чего энергия высвобождается в виде света. Резистор, установленный в этой цепи, ограничивает протекание тока по ней, с тем, чтобы защитить светодиод от повреждений, которые может вызвать чрезмерный ток.
Светодиоды могут также использоваться в цифровых дисплеях, например, в наручных часах или калькуляторах.
С помощью высвечивания различных комбинаций из семи элементов на дисплее можно отображать любую цифру от нуля до девяти.
Цифровой дисплей на калькуляторе из семи элементовКаждый светодиод соединен последовательно с резистором и выключателем, где каждый выключатель представляет собой внешнюю управляющую цепь. Выключатели имеют обозначения от А до G, чтобы соответствовать элементам дисплея. Семь последовательных проводов соединены параллельно с источником постоянного тока. Для того, чтобы подать питание на какой-либо светодиод, замыкается соответствующий выключатель. Каждый последовательно включенный в цепь резистор ограничивает ток, проходящий по проводу, и, тем самым, предотвращает повреждение светодиодов от чрезмерно большого тока.
Схема внешней цепи управления для цифрового дисплея калькулятораЦифры появляются на цифровом дисплее в результате различных сочетаний семи выключателей. Например, если выключатели А и В замкнуты, то соответствующие элементы на дисплее загорятся и образуют цифру 1. Подобным же образом цифра 2 может быть образована с помощью выключателей A, C, D, F и G, которые будут замкнуты одновременно.
Замыкая соответствующие выключатели в определенных комбинациях, на дисплее можно получать цифры от 0 до 9. Если элементы расположить несколько иным образом, то на дисплее можно получить знак плюса, минуса, десятичные точки или же буквы алфавита.
Светодиоды могут использоваться даже для обеспечения искусственного освещения для роста растений. Основными преимуществами светодиодов в этом случае являются: низкое потребление электричества и тепловыделения, а также возможность настройки необходимого спектра излучения.